Номер 4, страница 389 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 15. Солнце и звёзды. Параграф 104. Внутреннее строение солнца и звёзд. Обсудить в классе - номер 4, страница 389.

Условие.

Почему в обычных звёздах при термоядерных реакциях не образуются химические элементы тяжелее железа?

Решение.

Решение 2.

В обычных звёздах энергия вырабатывается в процессе термоядерного синтеза — слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлые. Этот процесс является источником энергии звезды, но он эффективен только до определённого предела, который связан со стабильностью атомных ядер.

Стабильность ядра определяется величиной, называемой удельной энергией связи. Это энергия, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре. Чем больше эта величина, тем прочнее связано ядро и тем оно стабильнее. График зависимости удельной энергии связи от массового числа показывает, что она растёт от лёгких элементов к элементам середины периодической таблицы, достигая максимума в районе железа (в частности, у изотопа $^{56}\text{Fe}$) и никеля, а затем медленно убывает для более тяжёлых элементов.

Когда в звезде сливаются ядра элементов легче железа (например, водород превращается в гелий, а гелий в углерод), образующееся новое ядро обладает большей удельной энергией связи, чем исходные. Это означает, что часть массы исходных ядер переходит в энергию в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна $E = \Delta m c^2$. Эта выделяющаяся энергия (экзотермическая реакция) поддерживает высокую температуру и давление в ядре звезды, противодействуя силам гравитации и заставляя звезду светиться.

Однако для синтеза элементов тяжелее железа ситуация обратная. Чтобы слить два ядра и получить элемент тяжелее железа, нужно создать ядро с меньшей удельной энергией связи. Такой процесс не только не выделяет энергию, но, наоборот, требует огромных энергетических затрат. Это эндотермическая реакция.

Ядро звезды не может служить местом для реакций, которые не производят, а потребляют энергию. Как только в ядре массивной звезды накапливается железо, источник энергии иссякает. Термоядерные реакции прекращаются, внутреннее давление падает, и звезда больше не может сопротивляться собственному гравитационному сжатию. Это приводит к гравитационному коллапсу и последующему взрыву сверхновой.

Элементы тяжелее железа образуются уже не в ходе "спокойной" жизни звезды, а в экстремальных условиях, например, во время взрывов сверхновых или слияний нейтронных звёзд, где мощные потоки нейтронов позволяют запустить другие механизмы нуклеосинтеза (например, r-процесс).

Ответ: Синтез химических элементов тяжелее железа в ходе термоядерных реакций является эндотермическим процессом, то есть он требует затрат энергии, а не выделяет её. Обычные звёзды существуют за счёт выделения энергии при синтезе лёгких элементов (экзотермические реакции). Условия в их недрах не позволяют поддерживать энергозатратные реакции, поэтому процесс нуклеосинтеза в звёздах естественным образом останавливается на железе — одном из самых стабильных элементов с максимальной удельной энергией связи.